Influence de la porosité sur les caractéristiques de traction

Comme vu précédemment, la porosité est influencée par la variabilité des éléments d’alliage testés. Ceci est montré au paragraphe précédent par un pourcentage de porosités élevé dans les alliages à forte teneur en Cu. D’où l’intérêt d’étudier les caractéristiques de traction en fonction de la porosité et de la variabilité de la composition chimique des alliages Al-Si-Cu.

Comme la technique de densimétrie est la méthode la plus précise pour la mesure du volume de porosités et la quantification du taux de porosités présentes dans l’échantillon, la première partie de ce paragraphe aborde l’effet de la porosité obtenue par densimétrie et les interactions de ce paramètre avec les éléments d’alliages sur Rp0,2 et Rm.

Par contre, le contrôle radiographique étant la technique utilisée par RENAULT, une comparaison du taux de porosités obtenu par densimétrie et de celui obtenu par radiographie est réalisée dans le but de vérifier la possibilité de travailler avec le contrôle radiographique pour estimer l’effet des porosités sur les caractéristiques mécaniques.

3.1 Taux de porosité obtenu par densimétrie

La figure 49 présente la limite élastique et la résistance à la traction en fonction du pourcentage de porosités obtenu par densimétrie. Pour cela, les éprouvettes analysées sont triées par classes de pourcentage de porosités: [0% à 0,5%], [0,5% à 1,5%], [1,5% à 2,5%], [2,5% à 3,5%], [5,5% à 6,5%]. On remarque sur ce graphe que lorsque la porosité augmente de 0% à 6%, la résistance à la traction diminue mais la limite élastique ne varie quasiment pas.

De plus, la plus grande partie des éprouvettes étudiées présente un taux de porosités compris entre 0% et 3,5% comme mis en évidence à la figure 50. Cette figure montre que seulement 5% des éprouvettes appartiennent à la classe de porosités [5,5-6,5%] alors que la plupart des éprouvettes (66%) possède entre 0,5 et 2,5% de porosités. De même, 17% des éprouvettes sont quasiment « saines » et apparaissent dans la classe [0-0,5%] de porosités

Figure 49 : Influence de la porosité volumique sur la résistance mécanique

Figure 50:Classification des éprouvettes étudiées selon leur taux de porosités (%𝑝𝑣)

La figure 50 met en évidence que la majorité des éprouvettes (95%) possède moins de 3,5% de porosités Ainsi, la figure 51 présente les résistances Rp0,2 et Rm en ne tenant compte que de cette majorité d’éprouvettes. On constate alors qu’une augmentation de la porosité entraine une diminution marquée de la résistance à la traction : le passage de la classe [0,5-1,5%] à la classe [1,5-2,5%] diminue Rm de 209 MPa à 188 MPa soit de 10,5 %, mais a une influence tout à fait négligeable sur la limite élastique (<2%). 0 50 100 150 200 250 0-0,5 0,5-1,5 1,5-2,5 2,5-3,5 3,5-4,5 4,5-5,5 5,5-6,5 R és is tan ce ( MPa) Porosité volumique (%pv) Rm Rp0,2 0-0,5 17% 0,5-1,5 35% 1,5-2,5 31% 2,5-3,5 12% 5,5-6,5 5%

Figure 51: Influence de la porosité volumique sur la résistance mécanique

L’estimation polynomiale de la variation des deux caractéristiques de traction Rm et Rp0,2 en fonction de la porosité volumique (%p_v) est donnée par les équations suivantes :

Rm = -0,90 × (%p_v) ² − 7,16 × (%p_v) + 223,02 *R²= 0,89 _(3.1) R_𝑝0,2= 1,88 × (%p_v) ² − 10,65 × (%p_v) + 151,57 *R²= 0,97 (3.2) *R²: Coefficient de détermination, mesure la qualité du modèle

Dans la mesure où la porosité ne semble pas influencer la limite d’élasticité et afin de pousser plus loin l’analyse précédente sur la résistance à la traction, nous avons examiné l’influence de l’interaction de la composition chimique et du taux de porosités sur cette dernière caractéristique. Pour cela, les moyennes de Rm pour chacun des niveaux de Si, Cu et Mg ont été déterminées et représentées en fonction du taux de porosités. Ainsi, sur la figure 52, sont tracées 3 courbes donnant la variation de Rm en fonction du pourcentage de porosités pour les trois niveaux de Si testés (9,7%, 11,2% et 12,7%). De même, les figures 53 et 54 présentent les variations de Rm en fonction du pourcentage de porosités pour, respectivement, les 3 niveaux de Mg et de Cu testés (respectivement 0%, 0,2% et 0,4% de Mg et 1,5%, 2,4% et 3,3% de Cu).

D’après la figure ci-dessous, on remarque qu’en l’absence de porosité (0%), la résistance à la traction diminue de 8% (de 228 MPa à 211 MPa) si Si passe de 9,7% à 11,2% et elle diminue de 12% (de 228 MPa à 198 MPa) lorsque Si passe de 9,7% à 12,7%.

0 50 100 150 200 250 0-0,5 0,5-1,5 1,5-2,5 2,5-3,5 R ési st an ce ( M P a) Porosité volumique (%pv) Rm Rp0,2 Poly. (Rm) Poly. (Rp0,2)

Figure 52: Influence du pourcentage massique du silicium et de la fraction volumique de la porosité sur la résistance à la traction

Par ailleurs, cette figure montre que l’augmentation du pourcentage de Si a un effet moins influant sur la résistance à la traction si le taux de porosités dépasse 2%, d’où l’intérêt d’étudier l’influence de l’interaction du %Si et de la porosité sur cette caractéristique.

D’après la figure 53, l’ajout du magnésium a une influence quasi négligeable sur la résistance à la traction. En effet, à un taux de porosité de 2%, la résistance à la traction augmente de 8% en passant de 0 à 0,2% de Mg. Par contre, le passage de 0,2% à 0,4% de Mg a une influence négligeable sur la résistance à la traction.

Figure 53: Influence du pourcentage massique du magnésium et de la fraction volumique de la porosité sur la résistance à la traction 170 180 190 200 210 220 230 240 250 0 1 2 3 4 R m ( MPa) %Porosité volumique ((%pv) 0%Mg 0,2%Mg 0,4%Mg

En absence de porosités (0%), on remarque que Rm est quasi-identique quel que soit le pourcentage massique en Mg (≈ 220 MPa). Par contre, Rm diminue avec l’augmentation du taux de porosités pour les trois niveaux de Mg.

Le cuivre, lui, favorise la formation de porosités dans les alliages Al-Si-Cu (figure 54). On remarque que le pourcentage de porosités des alliages avec une teneur de Cu inférieure à 2,4% varie entre 0% et 3%, alors qu’il varie de 1% à 3% pour les alliages à 3,3%.

A un taux élevé en cuivre (≥2,4%), Rm diminue considérablement avec l’augmentation du taux de porosités. En passant de 0 à 2% de porosités pour 3,3% de Cu, la résistance à la traction chute de 27% (de 260 MPa à 190 MPa), par contre, elle ne chute que de 10% (de 215 MPa à 193 MPa) à 1,5% de Cu.

Figure 54: Influence du pourcentage massique du cuivre et de la fraction volumique de la porosité sur la résistance à la traction

3.2 Taux de porosité obtenu par radiographie

La figure 55 présente la variation de Rm et de Rp0,2 en fonction des classes ASTM de la porosité décelée par radiographie sur les éprouvettes de traction sans tenir compte de leur composition chimique.

Notons que le contrôle radiographique n’a révélé que des porosités gazeuses (soufflures). Ainsi, les analyses des résultats de ce contrôle ne concernent que ce type de porosités.

A la lecture de la figure 55, on note que, la porosité diminue considérablement la résistance à la traction mais n’a quasiment pas d’influence sur la limite élastique. En effet, en passant de la classe 1 à la classe 2, la résistance à la traction chute de 10,9% (201 MPa à 179 MPa).

Les équations linéaires ou polynomiales suivantes mettent en équation Rm et Rp0,2 en fonction du taux de porosités (%p) : 170 180 190 200 210 220 230 240 250 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 R m( MPa) % Porosité volumique (%pv)

1,5Cu 2,4%Cu 3,3%Cu

Rm = 5,25 × (%p) ²−36,95 × (%p) +230,92 R²=1 (3.3) R𝑝0,2=−1,14 × (%p) +140,7 R² < 0,5 (3.4) R𝑝0,2= 2,21 × (%p) ²-10,935 × (%p) +149,03 R² = 1 (3.5)

Figure 55: La résistance à la traction et la limite élastique en fonction du taux de porosités (soufflures)

Ainsi, en se basant sur l’équation (3.4), l’augmentation du taux de porosités de 0 à 2% diminue la limite élastique de 2%.

En comparant l’effet du taux de porosité obtenu par densimétrie et celui obtenu par radiographie sur Rm et Rp0,2 (figures 51 et 55), nous remarquons que suite à l’analyse par densimétrie, le passage du taux de porosités de la classe [0,5-1,5%] à la classe [1,5-2,5%] diminue Rm de 209MPa à 188MPa soit de 10,5 %. L’analyse par radiographie montre, elle, que si la porosité passe de la classe 1 (0,9% de porosités) à la classe 2 (1,7% de porosités), Rm est réduite de 10,9% (201 MPa à 179 MPa). Concernant Rp0,2, les résultats montrent que le taux de porosités surfacique et le taux de porosités volumique ont une influence négligeable sur cette caractéristique.

Par conséquent, le contrôle radiographique permet tout comme le contrôle par densimétrie de quantifier l’influence de la porosité sur les caractéristiques de traction (Rm et Rp0,2).

4. Conclusions

La porosité est à la fois un paramètre révélateur de la santé matière qui dépend de la composition chimique de l’alliage Al-Si-Cu et des conditions de coulé et un facteur qui influence les propriétés mécaniques de la pièce produite en fonderie sous pression. Les principales conclusions de l’analyse de ce paramètre sont les suivantes :

 Les courbes de variation des pourcentages surfaciques et volumiques de la porosité en fonction des alliages font apparaitre que le cuivre peut favoriser la formation de porosités

120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 0 1 2 3 4 R és is ta n ce (M Pa ) %porosité Rm Rp0,2 Poly. (Rm) Linéaire (Rp0,2)

dans les alliages Al-Si-Cu. Ceci peut être dû à la formation des composés riches en cuivre à la fin de solidification, ce qui rend le remplissage des zones inter-dendritiques difficile et favorise par conséquent la formation des retassures

 La présence de porosités n’influence quasiment pas la limite élastique.

 La résistance à la traction diminue considérablement avec l’augmentation de la porosité  En absence de porosité, Rm diminue avec l’augmentation de la teneur en Si. En effet, elle

chute de 6% si on passe de 9,7% de Si à 11,2% de Si et de 12% si on passe de 9,7% de Si à 12,7% de Si. Ceci peut être lié à la formation de composés intermétalliques riches en fer. Par ailleurs, l’augmentation du %Si augmente la coulabilité de la matière et par conséquent diminue la porosité, ce qui a un effet bénéfique sur la résistance mécanique [75]. En effet, à 9,7% de Si le pourcentage volumique de porosités atteint 6% alors qu’il ne dépasse pas 3% à 11,2 et à 12,7% de Si.

 Le teneur en magnésium augmente Rm. Ceci est en accord avec les résultats des travaux de Yang et al. [15]. En effet, Yang a noté une légère augmentation de la résistance à la traction lorsque le pourcentage massique de Mg passe de 0,1% à 0,5%. Mais le magnésium n’influence quasiment pas le pourcentage de porosité volumique. Pour tous les niveaux de Mg, les courbes de tendances de la variation de Rm sont fonctions linéaires de la porosité et les coefficients de ces courbes sont assez proches (ces fonctions ne sont pas montrés pour des raisons de confidentialité). Ceci montre que la variation de Rm en fonction de la porosité est quasi-identique pour tous les niveaux du Mg

 Le contrôle radiographique permet tout comme le contrôle par densimétrie de quantifier l’influence de la porosité sur les caractéristiques de traction (Rm et Rp0,2).

IV.

Caractérisation de la microstructure

Les observations de la microstructure des alliages étudiés montrent une microstructure type de ces alliages Al-Si-Cu-Mg qui se compose de (figure 56) :

 Phases primaires dendritiques α-Al  Phases eutectiques Al-Si

 Composés intermétalliques

Figure 56 : Microstructure type des alliages Al-Si-Cu-Mg (alliage 3 équivalent à l’ASi9Cu3)

Nous allons nous intéresser aux évolutions de cette microstructure en fonction des trois éléments d’alliage (Si, Cu et Mg) que nous avons fait varier.